전고체 전지가 구부리고 잘라도 끄떡없다

에너지기술연구원, 산화물계 전고체전지 개발
에너지 밀도 높이고 화재·폭발 위험 원천 차단

한국에너지기술연구원 에너지저장연구단 장보윤 박사팀이 개발한 복합산화물계 전고체 전지는 잘라내도 정상적으로 작동해 LED 불을 켰다. 에너지기술연구원 제공

[파이낸셜뉴스] 한국에너지기술연구원 에너지저장연구단 장보윤 박사팀이 리튬이온 전지보다 높은 용량의 전고체 전지를 개발했다. 또한 이 전고체 전지는 구부리거나 잘라도 화재나 폭발위험 없이 안정적으로 작동한다.

연구진은 이 전고체 전지가 불이 나지 않는 상온 구동형 전기 자동차용 배터리나 신재생에너지 연계를 위한 대용량 에너지 저장 시스템(ESS), 안정성이 필수적인 인체 적용 배터리로 활용할 수 있다고 설명했다.

21일 에너지기술연구원에 따르면, 연구진은 이 전고체 전지를 에이에스이티㈜에 1차 기술이전을 완료했다. 에이에스이티㈜ 측은 전기자동차용 전고체 전지의 2026년 상용화를 목표로 하고 있다.

현재 이차전지 시장에서 전고체 전지 기술 개발은 황화물 기반으로 이뤄지고 있다. 황화물 기반의 전고체 전지는 악취를 가진 무색 유독 기체인 황화수소 발생 가능성이 있다. 반면 산화물 기반의 고체 전해질은 얇게 만들기 어렵고 깨지기 쉬운 단점이 있다. 또한 고분자 함량이 높아 60도 이상의 높은 작동 온도가 필요하다.

연구진이 산화물 기반의 고체전해질의 단점을 극복하기 위해 샌드위치 3층 구조로 만들었다. 고이온전도성 고분자층을 위아래에 놓고 갈륨이 섞인 복합산화물을 가운데 배치했다.

이를 통해 60도 이상의 고온이 아니어도 안정적으로 작동하는 전고체 전지를 만들 수 있었다. 또 기존 리튬전지의 에너지 밀도가 300Wh/㎏인데 반해 새로 개발한 전고체전지는 310Wh/㎏까지 높은 성능을 보인다.

한국에너지기술연구원 에너지저장연구단 장보윤 박사(앞줄 오른쪽)와 김대일 박사(앞줄 왼쪽)가 새로 개발한 전고체 전지와 전해질막을 들어 보이고 있다. 에너지기술연구원 제공

복합 고체 전해질은 국내 최초로 기존 산화물계 고체전해질의 함량 한계인 30%를 80%까지 높여 이온전도성과 안정성을 대폭 끌어올렸다. 연구진은 "샌드위치 구조를 통해 양극과 음극이 맞닿은 부분의 저항은 획기적으로 줄이고, 고함량의 고체 전해질은 이온전도성을 10배 이상 향상시켰다"고 설명했다.

또 고분자를 바인더로 활용해 소재간 결착력과 안정성을 강화함에 따라 얇게 만들기 어렵다는 단점을 극복해 롤투롤 공정으로도 제작할 수 있다. 실제 파일럿 스케일 규모의 공정을 확보해, 롤투롤 고정으로 수십m 단위의 연속 공정으로 복합 전해질을 만드는데 성공했다.

한편, 이번 전고체 전지 개발은 캐나다 국책연구소인 NRC와의 2년간의 국제 공동연구를 통한 결과다. 캐나다의 핵심 광물을 활용한 전고체 전지 기술의 국제협력을 강화해 연구원의 역량 강화는 물론 이를 통해 북미 시장 진출의 중요한 발판이 마련될 것으로 기대하고 있다.
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